센서의 이해: Part 1

인더스트리 4.0 및 데이터 혁명의 뿌리기술인 센서에 대한 근본 원리 및 실 제품 위주의 예시

전병우 지음

작가와 2022년 10월 31일 출간

작품소개

책소개

18세기 영국에서부터 시작된 산업혁명 이래, 3차례의 산업혁명을 거쳐 현재 4차 산업혁명의 시대 속에 살아가고 있다. 이전 3차례의 산업혁명이 각각 증기기관, 전기 에너지, 컴퓨터/인터넷과 같은 특정 유형의 기술에 기인한 산업 및 사회 전반의 변화였다면, 4차 산업혁명은 이들을 종합적으로 활용/발전시켜: 1) 사람과 사물이 고도로 연결되고 (ex) IoT), 2) 더욱 지능화된 기능 및 솔루션을 제공하고 (ex) AI), 3) 사람과 사물 간의 교류에 있어 신뢰 (ex) block chain)를 증진하며, 4) 친환경, 건강증진, 안전 등 (ex) 나노기술) 다방면으로의 발전을 꾀하고자 한다. 즉, 특정 유형의 기술에 의존하는 것이 아닌, 다분야의 기술을 복합적으로 활용하여 초연결, 초지능, 초신뢰, 초생명성 사회를 구현하겠다는 것이다.
4차산업혁명의 구현기술엔 ICT (정보통신기술)가 절대적인 비중을 차지한다. 특히 ICBM (IoT, Cloud, Big data, Mobile) 및 AI는 핵심 기술이자, 다양한 매체로부터 접해본 적이 있을 것이다. 비록 ICT 기반으로 구축된 기술이지만, IT (정보기술)에서 DT(데이터 기술)로 트랜드가 변화해 가고 있으며, 해당기술들은 데이터의 수집/저장/분석/활용/시각화 등을 핵심 활동 및 use case로 설정하고 있다. 다시 말해, 4차 산업혁명의 성공적인 실현에 있어 데이터의 중요성은 그 어느 때 보다도 중요해졌다고 볼 수 있다.
이러한 데이터를 획득하는 수단은 사람 간 커뮤니케이션, 파일 등의 문서, 채팅 기록 등 매뉴얼한 접근에서부터 시작하여 실시간 machine to machine 통신에 기반한 자동화된 방법까지 실로 다양하다. 여기서 자동화된 방법 및 실제 세계의 물리현상과 연관된 데이터 획득에 초점을 맞춘다면, 센서는 이를 위한 가장 보편적이고 핵심적인 수단이다.
물론 센서에 대한 이해도가 제고되었다 해서 4차산업혁명 관련 use case의 성공적인 구현을 보장하진 않는다. 센서 요소기술에 더해 4차산업혁명 제반 기술에 대한 Big picture 내지 방향성에 대해 공유가 되어있지 않다면 상호 연계로 인한 시너지 효과는커녕 유의미한 효과를 얻지 못할 공산이 크다.
실제 4차산업혁명 개별 요소기술들에 대해 다루는 책은, 분야별로 정도의 차이는 있지만, 국내외적으로 상당히 출판이 활발하나 이들을 효과적으로 엮을 수 있는 방향성 내지 가이드를 제시한 책의 경우 적어도 국내에선 많지 않은 실정이다. 이에 저자는 2022년 상반기에 이를 다룬 저서 “디지털트윈의 이해”를 출간하여, 4차 산업혁명과 관련된 제반 요소기술을 디지털트윈 중심으로 엮어내는 작업을 하였다.
아울러, 센서 분야의 서적들을 보면 개별 유형 센서에 대한 근본 원리 등은 섬세하게 기술되어 있는 경우가 많으나, 관련하여 실제 산업계에서 활용하는 센서에 대한 종합적인 소개 및 해당 제품들에 대한 datasheet를 보는 방법, 기재된 내용에 대해 설명해줌으로써 실제 실무자가 관련 market 제품에 대한 이해 및 datasheet를 분석하는 데 도움을 줄 수 있도록 기여하는 부분은 상대적으로 약하다.
본 저서는 “디지털트윈의 이해” 상의 Big picture 및 기존 센서 관련 서적들이 가진 한계를 고려하여, 센서 기술 관점에서 보다 상세한 내용을 전개하고자 한다. 구성으로는 크게 센서의 정의, 종류, 센서의 동작에 활용되는 물리 현상, 각 센서 별 세부 유형 및 원리, 예시 제품에 대한 소개로 되어 있다.
본 저서는 관련 도메인의 전문가와 더불어 ICT 기술에 직/간접적으로 연관이 있는 일반 독자를 주 대상으로 만들었다. 최대한 다양한 독자분들이 읽을 수 있도록 지나치게 상세하거나 지엽적인 내용은 과감하게 덜어내려고자 하였다. (특히 센서를 둘러싼 다양한 물리현상에 대한 깊은 이해, 수식 등) 이에, 상세한 수식기반 설명보단 원리와 설명, 그리고 그림 자료 위주로 설명을 전개를 하려 최대한 노력하였다. 또한 특정 도메인에 국한하진 않았으나, 국내 산업에서 제조업의 비중이 높은만큼 제조업 위주로 전개함을 미리 밝힌다.
본 책은 집필하면서 앞으로 배울 것도, 해야 할 것도 많음을 느낀다. 현업에 매진하면서 틈틈이 신기술에 대해 관심을 가지고 계속 정진해 나가면서 동시에 이를 체계화하고자 한다. 해당 과정을 통해, 저자 자신의 발전과 더불어 모두가 같이 성장하는 데 조금이나마 보탬이 되었으면 한다. 아울러 이 책을 읽는 모든 독자에게 행운과 행복이 함께 하기를 기원한다.

목차

서문 10
1 센서의 개요 13
1.1 센서의 정의 13
1.2 디지털트윈 관점에서 바라본 센서 16
1.3 센서의 분류 및 주요 측정 항목 21
1.4 센서의 주요 특성 24
1.5 산업계에서 활용되는 주요 센서 41
1.6 본 책의 내용 전개 방식 44
2 광 센서 46
2.1 광 센서의 개요 및 분류 46
2.2 광도전 효과 응용 센서 – 광도전 셀 49
2.2.1 광도전 효과 49
2.2.2 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 51
2.2.3 장단점 54
2.3 광기전력 & 광도전 효과 응용 센서 55
2.3.1 광기전력 55
2.3.2 포토 다이오드 57
2.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 58
2.3.3 PIN 다이오드와 APD 66
2.3.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 67
2.3.4 포토트랜지스터 74
2.3.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 79
2.3.5 장단점 비교 86
2.4 발광소자를 활용한 광센서 89
2.4.1 포토 인터럽터 89
2.4.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 90
2.4.2 포토 커플러 97
2.4.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 99
2.4.3 포토릴레이 103
2.4.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 104
2.5 광전자 방출효과를 응용한 센서 110
2.5.1 광전자 방출효과 (광전효과) 111
2.5.2 광전관과 광전자 증배관 112
2.5.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 114
3 적외선 센서 124
3.1 적외선 센서의 개요 및 분류 124
3.2 초전기 효과 응용 센서 (PIR 센서) 126
3.2.1 초전기 효과 126
3.2.2 PIR 센서 130
3.2.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 132
3.3 제백효과를 응용한 센서 (열전대, 서모파일) 136
3.3.1 제백 효과 137
3.3.2 열전대 및 서모파일의 개념 138
3.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 143
3.4 온도에 따른 저항 변화를 응용한 센서 147
3.4.1 볼로미터의 개념 147
3.4.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 150
4 자기 센서 156
4.1 자기 센서의 개요 및 분류 156
4.2 홀 효과를 활용한 센서 (홀 센서) 159
4.2.1 횰 효과 159
4.2.2 홀 센서의 개념 159
4.2.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 164
4.3 자기 저항 효과를 활용한 센서 166
4.3.1 반도체 자기 저항 센서 166
4.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 171
4.3.2 자성체 자기 저항 센서 173
4.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 179
4.4 자속 게이트 186
4.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 190
4.5 유형별 비교 194
5 온도 센서 196
5.1 온도 센서의 개요 및 분류 196
5.2 온도에 따른 전기저항의 변화를 응용한 센서 197
5.2.1 RTD 198
5.2.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 201
5.2.2 써모스탯 203
5.2.3 써미스터 206
5.2.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 210
5.3 다이오드/트랜지스터의 온도 특성을 활용한 온도 센서 215
5.3.1 원리 216
5.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 220
5.4 접촉식 온도센서 유형별 비교 224
5.5 열방사를 응용한 온도센서 (비접촉식) 227
5.5.1 파이로미터의 원리 228
5.5.2 여러 파생형 파이로미터의 개념 231
5.5.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 234
6 음향 및 초음파 센서 239
6.1 음향 센서의 개요 및 분류 239
6.2 마이크로폰 기반 음향 센서 242
6.2.1 콘덴서 기반 마이크로폰 243
6.2.2 자기장 기반 마이크로폰 (전자기 유도 기반) 249
6.2.3 콘덴서형, 다이나믹, 리본형 마이크 비교 기반 상세 이해 251
6.3 초음파 센서 (광섬유 및 압전효과 기반) 255
6.3.1 광섬유 기반 초음파 센서 256
6.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 258
6.3.2 압전효과 기반 초음파 센서 260
6.3.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 265
6.3.3 탄성파 기반 초음파 센서 267
7 변위 센서 270
7.1 변위 센서의 개요 및 분류 270
7.2 (전기/자기) 저항 변화를 활용한 센서 (포텐쇼미터) 272
7.2.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 276
7.3 전자기 유도를 활용한 변위 센서 281
7.3.1 LVDT와 RVDT 282
7.3.1.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 284
7.3.1.2 싱크로 289
7.3.1.3 리졸버 293
7.4 광센서 및 홀 효과를 응용한 변위센서 (로터리 인코더) 295
7.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 301
7.5 정전용량형 위치 센서 (정전용량형 로터리 인코더) 310
7.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 313
7.6 경사각 측정 센서 315
7.6.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 319
7.7 반도체 표면 저항 활용한 변위 센서 327
7.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 331
8 점유/근접 센서 336
8.1 점유/근접 센서의 개요 및 분류 336
8.2 리미트 스위치와 마이크로 스위치 338
8.3 빛을 활용한 점유 센서 341
8.3.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 348
8.4 전자기 유도를 활용한 근접 센서 356
8.4.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 360
8.5 정전용량 변화를 활용한 근접 센서 364
8.5.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 366
8.6 자화 현상 활용한 근접 센서 371
8.7 초음파 활용한 근접 센서 371
8.7.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 374
8.8 초전기 현상을 활용한 근접 센서 378
8.8.1 예시 기반, 해당 유형의 센서 상세 이해 381
참조 문헌 386

책 속으로

실제 산업계에서 활용하는 센서의 종류 및 센서가 탐지하는 물성들은 실로 방대하기 때문에 300페이지 이내로 상기 구성을 모두 담는 데는 한계가 많았다. 이에, 본 책은 크게 두 개의 part 로 구성하였다. Part 1은 센서의 개요를 다루고, 여러 종류의 센서 중 광, 적외선, 자기, 온도, 음향/초음파, 거리/변위, 근접/점유 센서에 대해 다룬다. Part 2는 압력, 속도, 가속도, 광섬유, 자이로스코프, 힘, 토크, 촉각, 유량/유동, 방사능 센서에 대해 다룬다. 이렇게 구분한 이유로는 Part 1에서 다룬 센서들의 원리, 물리 현상들의 상당수가 Part 2에서 커버하는 센서에 활용되는 경우가 많기에 Part 1의 내용을 이해한 후 Part 2를 보면 이해하는 데 한층 수월할 것이기 때문이다.

작가정보

저자(글) 전병우

스마트매뉴팩처링 분야에 종사하면서, 관련 지식을 모두가 함께 공유할 수 있도록 끊임없이 노력하는 engineer 입니다.